Журнал "Здоровье" №7 (79) 1961

Биофизика - биология - медицина

Действительный член Академии медицинских наук СССР профессор А. В. Лебединский

В истории науки бывают периоды, когда исследователь, посвятивший себя той или иной отрасли, начинает видеть блистательные перспективы ее развития. Именно в такой период вступила биологическая физика.

Биофизика возникла как наука, применяющая методы физики для изучения биологических явлений, понимания их сущности, а в настоящее время в какой-то мере и управления этими явлениями.

Еще в середине XVII века итальянский ученый Борелли стремился объяснить движения человеческого тела законами механики. Борелли не был одинок в своем стремлении использовать закономерности физики для раскрытия жизненных явлений. Его соотечественник исследователь Порта сравнил глаз с камерой — обскурой. Несколько позже, в начале XVIII столетия, во Франции появилась книга, написанная Клодом Перро, братом знаменитого сказочника. В книге приведены таблицы, на одной из которых изображена механическая модель сердца, на другой можно видеть систему шлюза, объясняющую с точки зрения механики действие клапанов вен и сердца.

Особенно широкий круг вопросов биологии трактовал с позиций современной ему физики великий русский ученый М. В. Ломоносов. Он искал причины возникновения животной теплоты, световых и цветовых ощущений, а также вкуса.

М. В. Ломоносов, Клод Перро и многие другие физики работали в то время, когда, по словам Карла Маркса, механика была самой популярной наукой. На смену им пришло другое поколение исследователей.

Тогда только зарождалось учение об электричестве. Целая плеяда ученых, в числе которых следует назвать француза Бертолона, итальянцев Гальвани, Альдини, нашего соотечественника В. В. Петрова, исследовала действие электрического тока на живой организм. Было

сделано замечательное открытие. Оказалось, что электрический ток заставляет сокращаться мышцу, возбуждает нервы. И, что особенно важно, удалось получить данные о существовании электрических явлений в самом живом организме.

К середине прошлого столетия в результате оригинальных опытов было твердо установлено, что электрические явления можно наблюдать в тех тканях и органах, которые способны приходить в состояние возбуждения. Электрические явления обнаруживаются в сокращающейся, то есть возбужденной, мышце, в сетчатке глаза, когда на нее попадает свет. Электрические импульсы, возникающие в сердце, сопровождают сердечные сокращения и т. д.

Конец прошлого столетия завершил эту цепь открытий. Замечательным русским исследователем В. М. Бехтеревым, а затем рядом других отечественных и зарубежных ученых были обнаружены электрические явления в нервной системе, в ее высших отделах — коре больших полушарий мозга.

Таким образом, пауке стало известно одно из важнейших физических явлений, которое наблюдается в живых организмах и теснейшим образом связано с основными проявлениями жизнедеятельности. Учение об электрических импульсах составило специальный раздел современной биофизики.

Механические явления, а также электрические процессы, происходящие в теле человека и животного, — лишь отдельные примеры обращения биологов к проблемам физики. Круг таких вопросов расширяется с каждым новым проникновением в существо жизненных явлений. При этом происходит интересный процесс: биолог начинает обращаться к все более и более сложным разделам физики.

В свое время врачи и физиологи обнаружили, что из артерии кровь бьет фонтаном. Это значит, что она циркулирует в кровеносных сосудах под определенным давлением. Для измерения величины давления крови понадобился специальный прибор — манометр, который и был предложен физиками. Задачей физиологов было изучить, как влияют различные факторы на величину кровяного давления, от которого зависит снабжение кровью всех тканей и органов. Измерение кровяного давления в определенных физических величинах — миллиметрах ртутного столба — дало возможность врачам точно оценивать работу сердца, определять просвет сосудов, количество циркулирующей по «им крови, ее вязкость и т. д. Эти и подобные им вопросы были более или менее просты и поэтому сравнительно легко разрешимы.

Значительно трудней оказалась другая задача. Дело в том, что для биолога важно не только измерить изучаемую им физиологическую величину в определенных единицах, принятых в физике. Важно, например, не только в какой-то момент однократно измерить кровяное давление, но и зарегистрировать колебания его величины в течение определенного времени. Раньше это достигалось таким образом: поплавок колебался вместе с уровнем ртути в колене манометра. Закрепленный на нем легкий стерженек сцарапывал сажу, покрывавшую тонким слоем поверхность бумаги, которая обтягивала вращающийся барабан — кимограф. Получалась запись белым по черной поверхности. Такого рода графическая регистрация физиологических процессов вошла в практику лабораторий в середине прошлого столетия.

Несколько позднее были сделаны попытки использовать фотографию для изучения процессов, происходящих в живых организмах. В этом отношении выдающийся успех выпал на долю наших отечественных исследователей. И. Р. Тарханишвили сумел сфотографировать движения «зайчика» гальванометра, отклонявшегося под влиянием развития кожных электродвижущих сил (токов действия потовых желез); Н. П. Симановский — движения голосовых связок человека; Л. Г. Беллярминов и потом Е. П. Браунштейн сфотографировали движения зрачка. Фотографический метод одержал полную победу в лаборатории физиолога и клинициста не только для регистрации механических, но и электрических процессов.

Исключительно важным этапом использования успехов техники в физиологии и медицине явилось постепенное внедрение электроники. Термином «электроника» обозначают такие области физики и техники, где применяются специальные сложные электрические приборы — электровакуумные и полупроводниковые, в которых основными или единственными носителями тока являются мельчайшие частицы атома; называются эти частицы электронами.

Один из таких приборов — электронная лампа — уже давно стал важнейшей частью усилителей, широко используемых для регистрации электрических явлений в живом организме. В 1922 году советские специалисты, работавшие в лаборатории академика В. Ф. Миткевича, начали применять ее, в частности для усиления токов действия нерва.

В поелейнее время в наших лабораториях появилось множество полупроводниковых приборов. Они широко используются для измерения температуры кожных покровов животного и человека, регистрации пульса, колебаний объема органа и т. д.

Незаменимым помощником экспериментатора стали телевизионные камеры, позволяющие вести наблюдение за теми или иными процессами, следить, например, за ходом хирургической операции.

Совершенно новым и многообещающим является дистанционная регистрация физиологических функций организма. В этом отношении поистине замечателен опыт передачи телевизионных изображений на огромные расстояния с советских кораблей-спутников. Ученые, находящиеся в наземной лаборатории, могли следить за состоянием основных жизненных функций животных.

Электрогастрограф записывает биотоки, идущие от желудка, по которым можно судить о его деятельности

Этот миниатюрный прибор — газоразрядный счетчик — служит для ранней диагностики опухолей пищевода и желудка

Беспримерный полет вокруг Земли Юрия Алексеевича Гагарина проходил под неослабным наблюдением ученых. Телевизионная система осуществляла передачу на Землю изображения космонавта. Это давало возможность вести наблюдение и контроль за его состоянием. Одна из телевизионных камер передавала изображение пилота анфас, другая — сбоку.

Нет ничего удивительного в том, что врач в лаборатории может следить за пульсом, частотой дыхания и электрокардиограммой спортсмена, участвующего в соревновании.

Одним из замечательных и многообещающих является электронный прибор, получивший название «телевизора мозга». Благодаря оригинальной конструкции, разработанной советскими учеными, оказалось возможным регистрировать на экране телевизора пространственный биоэлектрический процесс в мозгу, сердце и т. д. Существует прибор, позволяющий производить такую запись одновременно с четырехсот точек головного мозга.

Однако задача биофизики состоит не только в том, чтобы изучать биологические процессы лишь с помощью измерительной техники. Это далеко не исчерпывает существа отношений между биологией и физикой. Во всех приведенных примерах биология как бы только следовала за успехами физики, что, конечно, немало для развития науки. Вместе с тем одной из основных задач современной биофизики является изучение физических процессов в самом организме, возникающих, например, при сокращении мышцы, нервном возбуждении, действии света на сетчатку глаза, звука на орган слуха и т. д. Биология и здесь может гордиться заслуженным и большим успехом. Приведем некоторые примеры.

Одним из самых важных жизненных процессов является возбуждение нерва, составляющее основу деятельности нервной системы человека и животного. А, как мы знаем, нервная система регулирует все без исключения жизненные функции. Нервное возбуждение обеспечивает взаимодействие организма с внешней средой, приспособление к ее непрерывно меняющимся условиям. Вот почему такой жгучий интерес у ученых вызывает процесс возбуждения нерва.

Как мы уже говорили, обязательным спутником возбуждения, не отделимым от него, является электрический процесс. Именно электрической разницей потенциалов в настоящее время ученые объясняют передачу возбуждения по нервному проводнику.

Что же представляет собой нерв, если его рассматривать как электрический проводник?

Ответ на этот вопрос можно поручить, экспериментируя с некоторыми возбудимыми биологическими объектами. Например, включая клетку водоросли в цепь электрического тока, можно наблюдать, что живая система характеризуется не только величиной сопротивления току, но и обладает электрической емкостью. Именно электрическая емкость обусловливает сдвиг фаз тока и напряжение в цепи, в которую включена клетка водоросли. Близкие к этим явлениям физиологические свойства обнаруживает и нерв, включенный в электрическую цепь: он также оказывает сопротивление проходящему току и обладает определенной электрической емкостью.

Можно достаточно точно представить себе те физические явления в нерве, которые происходят при его возбуждении. Так, например, установлено, что Одновременно с возникновением тока действия происходит изменение электрических свойств нерва, уменьшается его сопротивление электрическому току.

Знание биофизических процессов, происходящих в нервной системе, очень важно для практической медицины. Это позволит изыскивать средства, восстанавливающие функции нервов, например после травм и т. д.

Ученые предполагают, что в состоянии покоя в нерве имеются структуры, не проницаемые для определенных ионов — электрически заряженных частиц. В состоянии возбуждения эти структуры становятся проницаемыми, существовавшее неравенство ионов выравнивается, в результате и возникает ток действия, который можно рассматривать как своего рода разряд конденсатора. Вслед за этим в результате процессов обмена веществ непроницаемость нерва восстанавливается, освобождаются новые порции токов, снова накапливается электрический заряд и т. д.

Какова же цель столь тонких и сложных исследований? Они позволяют глубже проникать в существо процессов, происходящих в нашем теле, искать причины нарушения этих процессов при различных заболеваниях, разрабатывать эффективные меры лечения и предупреждения различных болезней.

В настоящее время в лабораториях ученые стараются создать модели биологических процессов, происходящих в живом организме. Уже удалось сделать механические модели системы кровообращения, скелетных мышц и т. д. Особое внимание исследователей привлекли новые перспективы моделирования процессов, протекающих в нервной системе. Это осуществляется при помощи учения об информации — кибернетики.

Есть еще один очень важный раздел современной биофизики — учение о приложимости основных закономерностей процессов обмена энергии и превращения одних ее видов в другие к живым организмам. Наука, изучающая эти закономерности, носит название термодинамики. В настоящее время есть все основания говорить о том, что физические и химические явления в организме подчинены законам термодинамики так же, как и все другие процессы материального мира.

Успехи биофизики, бесспорно, связаны с бурным развитием смежных отраслей науки. В решениях XXI съезда КПСС о развитии народного хозяйства СССР на 1959–1965 годы указывалось, что значение комплекса биологических наук для медицины будет особенно возрастать по мере использования в биологии достижений физики и химии, и отмечалась большая роль, которую будут играть в недалеком будущем такие науки, как биохимия, биофизика и некоторые другие дисциплины. Ученые все шире и успешней используют законы физики и химии для проникновения в сложные биологические закономерности живого организма.